雙曲面攪拌機在污水處理中的應用

1. 前言

        在市政、化工造紙及其它多種水處理工藝中，水體攪拌混合是其中關鍵工藝過程之一。傳統的攪拌機械分為立軸折槳式和水平（潛水）式兩種常用方式，由于安裝的方式和葉槳形式決定了其攪拌形態，無論在能耗上還是在攪拌效果上均不太理想，不僅給污水廠的運營成本帶來不必要的增加，而且會直接影響到最終的工藝處理效果。針對以上問題，經過四年的試驗，借助同行的設計經驗，我們終于研制成功具有自主知識產權的雙曲面攪拌機，并申請了國家專利(ZL200620068740.X)，經過在北京高碑店污水廠和上海吳淞污水廠等單位歷時三年多的實際應用，獲得了良好的效果，填補了該類產品在國內的空白，并成為替代進口的首選產品。我們將在制造和運行過程中的一些成功經驗與同行分享。

2. 工作原理及其結構

        雙曲面葉輪體上表面為雙曲線母線繞葉輪體軸線旋轉形成的雙曲面結構，。其獨特的葉輪結構設計，最大限度地將流體特性與機械運動相結合。雙曲線的方程為xy=b曲線沿y軸旋轉而構成的曲面體；為了迎合水體流動，設計從葉輪的中心進水，這一方面減少了進水紊流，另一方面保證了液體對葉輪表面的壓力均勻，從而保證整機在運動狀態下的平衡。在漸開雙弧面上均布有八條導流葉片，借助液體自重壓力作補充進水獲得的勢能與葉輪旋轉時產生的離心力形成動能，液體在重力加速度的作用下經雙曲面結構過渡沿葉輪圓周方向作切線運動，在池壁的反射作用下，形成自上而下地循環水流，故可獲得在軸向（y）和徑向（x）方向的交叉水流(如圖1、2)。正是由于雙曲面攪拌機葉輪的結構特性和接近池底安裝的特點，其工作位置決定了它對懸浮物的防沉降作用是直接的，在工作中可獲得理想的攪拌效果，能有效地消除攪拌死角。大比表面積可獲得大面積的水體交換。
其葉輪結構由導流體、攪拌部件及傳動部分等組成(如圖3)。

3.工程應用

        雙曲面攪拌機整機由動力部分和雙曲面葉輪體及安裝附件組成，為了滿足用戶不同工況條件下的使用，將安裝設計為干式(也稱立軸式)和潛水式兩種(如圖4、5) 。干式安裝，通過傳動利用橋架定位，由干式電機和減速機作動力，它用于含固率高，水溫高，含有磨蝕性的液體中，由于葉輪具有自動糾偏功能，運行較平穩，減速機噪音小于60分貝。潛水式安裝，可免去橋架，采用潛水動力，利用設備自重定位，安裝靈活方便，適用在水深較深，且水質穩定，不含磨蝕性的水體，水溫不大于40℃，PH值6~9之間，其特點是無噪音，無視覺障礙。

       在實際應用中，葉輪的錐形反曲面設計最大限度地將液體對葉輪表面的壓力通過導流體有效地分布到葉面的擴散區，利用葉輪表面漸開的等分凸臺改變流體運動方向，沿著葉輪外緣的切線方向，在重力加速下形成離心力，轉換成徑向流。它最大的優點在于葉輪工作時不會產生紊流，從而保證了進水區與出水區的互不干撓，有序的水流循環加上葉輪工作時從葉輪中心形成的負壓，使進水區的能量形成自動補充，即形成軸向流，這樣雙曲面攪拌機即使在沒有池壁的反射下也能形成軸向和徑向流。目前在北京、上海兩家用戶的池深均超過8米，從實際工作情況來看，攪拌效果均很理想。由此可見水深對雙曲面的影響不大，如果是傳統攪拌機在這樣的場合下就很難達到這樣的效果，這正是水平攪拌機的局限性。 因為水平攪拌只能解決一個層流，它的軸向流和徑向流遠達不到雙曲面的服務面積，尤其是在攪拌機的邊界水流上很容易產生紊流，加上單向水流很難滿足池底及池角處的完全攪拌，尤其在厭氧段，容易產生沉淀物。此外，常用槳式攪拌的方式與水平攪拌的不同在于槳式攪拌機以徑向流為主，剪切力較強，水平攪拌機主要為軸向流，徑向流較小，推流能力較強，如果要提高攪拌效果只能增加動力和轉速，利用池壁的反射原理才能形成回流。但對大范圍和有死角的工況，隨著功率和轉速的提高，會帶來增加能耗、結構可靠性等諸多問題，而且及易發生纏繞。

4.工作特點

        雙曲面攪拌機作為一種高效攪拌混合設備，適用于各種低黏度的液體之間、固液、氣液之間的混合攪拌；不僅適用于圓形池、方形池，在長方形水池中分單元布置使用也比較常用。

        在我國現有各種污水處理工藝中，雙曲面攪拌機主要可以克服傳統葉片（漿）式攪拌易出現死角，曝氣工藝水氣混合效果不佳的問題，發揮其攪拌均勻的優勢。主要特點表現在以下幾個方面：

        (1)可以用在各種液體與固體、氣體混合的場合，可替代現有攪拌設備，實現三維立體、螺旋狀的混合，使攪拌更均勻，提高攪拌效率。

        (2)大比表面積葉輪，功率配備小，循環水流大，能耗低，在常規市政污水攪拌中相比傳統攪拌方式節能30%-50%。

        (3)整機結構緊湊，運行可靠，安裝維護便捷。

        (4)該葉輪由增強纖維或鋼制材料制作而成，能適應不同的工況要求，使用壽命長。

5.應用前景

        雙曲面攪拌機作為一種節能高效的混合攪拌裝置，在雙相固液或三相固液氣的攪拌均具有廣泛的運用前景。目前由于環境污染日趨嚴重，以及全社會環保意識的提高，污水治理已越來越受到重視，國內中小城鎮污水治理率逐步提高，同時對現有污水處理廠的工藝技術升級改造，必然對高效節能的關鍵設備技術產生迫切的需求，而雙曲面葉輪攪拌方案在水體攪拌效果和節能方面具有明顯優勢。所以通過正確和積極的推廣，我們相信這種雙曲面攪拌方案將成為未來理想的、主導的攪拌方式，在污水處理工藝及其它攪拌混合場所發揮重要作用。